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DE2459612A1 - CAPACITIVE PRESSURE TRANSDUCER - Google Patents

CAPACITIVE PRESSURE TRANSDUCER

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DE2459612A1
DE2459612A1 DE19742459612 DE2459612A DE2459612A1 DE 2459612 A1 DE2459612 A1 DE 2459612A1 DE 19742459612 DE19742459612 DE 19742459612 DE 2459612 A DE2459612 A DE 2459612A DE 2459612 A1 DE2459612 A1 DE 2459612A1
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DE
Germany
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pressure
pressure transducer
capacitor
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electrodes
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William Ronald Polye
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Bendix Corp
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Publication date
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    • H01G4/00Fixed capacitors; Processes of their manufacture
    • H01G4/002Details
    • H01G4/018Dielectrics
    • H01G4/04Liquid dielectrics
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
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    • G01L9/0086Transmitting or indicating the displacement of capsules by electric, electromechanical, magnetic, or electromechanical means using variations in capacitance
    • GPHYSICS
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Description

Die Erfindung betrifft einen Druckwandler, bei dem ein auf Druck ansprechender Kondensator und ein Referenzkondensator Verwendung findet.The invention relates to a pressure transducer in which a pressure-responsive capacitor and a reference capacitor are used finds.

Zur Umwandlung der Kapazitäts-ränderungen eines auf Druck ansprechenden Kondensators eines Druckwandlers in ein elektrisches Ausgangssignal findet in vielen Fällen ein Referenzkondensator Verwendung. Der Referenzkondensator und der auf Druck ansprechende Kondensator können in Zweige einer Brückenschaltung geschaltet sein, oder der eine Kondensator kann mit dem Eingang eines Verstärkers verbunden sein, während der andere Kondensator in eine vom Ausgang zum Eingang des Verstärkers laufende Rückkoppelleitung geschaltet ist, so daß das Ausgangssignal proportional zum Verhältnis der beiden Kapazitäten ist und eine Funktion des Druckes ist, dem der Druckwandler ausgesetzt ist.To convert the changes in capacity of a pressure-sensitive A reference capacitor is used in many cases to convert the capacitor of a pressure transducer into an electrical output signal. The reference capacitor and the pressure-sensitive capacitor can be connected in branches of a bridge circuit be, or the one capacitor can be connected to the input of an amplifier be connected, while the other capacitor in a running from the output to the input of the amplifier feedback line is switched so that the output signal is proportional to the ratio of the two capacitances and is a function the pressure to which the pressure transducer is subjected.

-3·—-3 · -

509828/0534509828/0534

Bei den bisher bekannten kapazitiven Druckwandlern besteht unter anderem das Problem, daß durch Temperaturänderungen eine fehlerhafte Druckanzeige hervorgerufen wird. Durch Temperaturänderungen wird der Abstand zwischen den Platten der Kondensatoren geändert, was auf die thermische Ausdehnung zurückzuführen ist. Wird der Druckwandler in einem Flugzeug verwendet, so kann er großen Temperaturunterschieden ausgesetzt sein. Die Größe der Fehlanzeige hängt hauptsächlich von den für den Druckwandler verwendeten Ma-: terialien, konstruktiven Einzelheiten und von dem Temperaturbereich ab, in dem der Druckwandler arbeitet. Es treten beim Herbeiführen des gewünschten Maßes an Stabilität des Kondensators Schwierigkeiten auf, insbesondere dann, wenn der Druckwandler sehr starken Temperaturänderungen ausgesetzt ist.In the previously known capacitive pressure transducers, there is under among other things, the problem that an incorrect pressure display is caused by temperature changes. By temperature changes the distance between the plates of the capacitors is changed, which is due to the thermal expansion. Will the Pressure transducers used in an airplane so it can experience large temperature differences be exposed. The size of the false indication mainly depends on the dimensions used for the pressure transducer: materials, structural details and the temperature range in which the pressure transducer operates. It occurs when bringing about the desired degree of stability of the capacitor presents difficulties, especially when the pressure transducer is exposed to very strong temperature changes.

Durch die Erfindung soll daher ein kapazitiver Druckwandler geschaffen werden, der stark unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt werden kann, ohne daß die Genauigkeit des von ihm erzeugten Drucksignales nachteilig beeinflußt wird.The invention is therefore intended to create a capacitive pressure transducer that can be exposed to very different temperatures without affecting the accuracy of the generated by it Pressure signal is adversely affected.

Erfindungsgemäß v/eist der Druckwandler ein hohles Gehäuse mit zv/ei voneinander entfernten, sich gegenüberliegenden Wänden aus isolierendem Material auf, welche durch isolierendes Material an ihren Kanten mit einander verbunden sind, wobei die von den Kanten abgelegenen Bereiche der Wände durch Druckänderungen ausgelenkt werden können, während die bei den Kantengelegenen Bereiche der Wände im wesentlichen nicht auslenkbar sind. Die Elektroden des auf Druck ansprechenden Kondensators sind auf den einander gegenüberliegenden Oberflächen der auslenkbaren BereicheAccording to the invention, the pressure transducer comprises a hollow housing with two opposing walls that are spaced apart from one another insulating material, which are connected to one another at their edges by insulating material, with those of the Edges of remote areas of the walls can be deflected by pressure changes, while those at the edge areas of the walls are essentially not deflectable. The electrodes of the pressure responsive capacitor are on the opposing surfaces of the deflectable areas

5O98 2 8/ÖS345O98 2 8 / ÖS34

; angeordnet, während die Elektroden des Referenzkondensators auf den- einander gegenüberliegenden Oberflächen der nicht auslenkbaren Bereiche angeordnet sind.; arranged while the electrodes of the reference capacitor on the opposing surfaces of the non-deflectable Areas are arranged.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf, die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:In the following, an embodiment of the invention is referred to on, the accompanying drawing explains in more detail. It shows:

Fig. 1 eine Aufsicht auf einen erfi.ndungsgemäßen Druckfühler;1 shows a plan view of a pressure sensor according to the invention;

Fig. 2 einen vertikalen Schnitt durch den erfindungsgemäßen Druckfühler; undFig. 2 is a vertical section through the invention Pressure sensor; and

Fig. 3 eine Schaltung, welche ein dem Verhältnis der beiden Kapazitäten proportionales, von dem auf den Druckfühler ausgeübten Druck abhängendes Ausgangssignal erzeugt. Fig. 3 shows a circuit which shows the ratio of the two Generates an output signal proportional to the pressure exerted on the pressure sensor, which is proportional to the capacitance.

Der in den Fign. 1 und 2 dargestellte .erfindungsgemäße Druckwandler v/eist ein Gehäuse 1 aus dielektrischem Material z.B. aus Glas ι oder Quarz auf. Das Gehäuse hat zwei schalenform!ge Teile 3, 5, die an ihren Kanten durch eine geeignete Dichtung 6 mit einander verbunden sind. Sie begrenzen eine zwischen ihnen liegende Kammer . 7, welche in bekannter Weise evakuiert werden kann. Auf den einander gegenüberliegenden, inneren Flächen der auslenkbaren Abschnitte der schalenförmigen Teile 3 und 5 sind den Druck messende leitendeThe one in FIGS. 1 and 2 illustrated pressure transducers according to the invention A housing 1 made of dielectric material, for example made of glass or quartz. The housing has two shell-shaped parts 3, 5, which are connected to one another at their edges by a suitable seal 6. They delimit a chamber lying between them . 7, which can be evacuated in a known manner. On the opposing inner surfaces of the deflectable sections of the bowl-shaped parts 3 and 5 are conductive ones that measure the pressure

; j; j

' Platten 9 und 11 angeordnet, we.lche durch Vakuum-aufdampfen oder ; Sputtern hergestellt sein können. Diese bilden einen Kondensator, ■ welcher ein dem von außen auf das Gehäuse 1 ausgeübten Druck ent- -4-'Plates 9 and 11 arranged, whether by vacuum vapor deposition or; Sputtering can be made. These form a condenser, ■ which corresponds to the pressure exerted on the housing 1 from the outside. -4-

509828/0534509828/0534

sprechendes Signal erzeugt. Auf den einander gegenüberliegenden innneren Flächen der schalenform!gen Teile 3 und 5 sind ferner bei der Dichtung 6 leitende Platten 19, 21 angeordnet. Diese bilden einen Referenzkondensator, v/elcher ein Referenzsignal erzeugt. Die Platten 9 und 11 bzw. 19 und 21 der Kondensatoren sind mit elektrischen Leitern 13 und 15 bzw. 23 und 24 verbunden. Durch diese sind die Kondensatoren, wie Fig. 3 zeigt, mit einer elektrischen Schaltung verbunden.speaking signal generated. On the opposing inner surfaces of the shell-shaped parts 3 and 5 are also at the seal 6 conductive plates 19, 21 are arranged. These form a reference capacitor which generates a reference signal. The plates 9 and 11 or 19 and 21 of the capacitors are connected to electrical conductors 13 and 15 or 23 and 24. By these are the capacitors, as shown in FIG. 3, connected to an electrical circuit.

Die Auslenkung der schalenform!gen Teile 3 und 5 an ihren Kanten kann unter Verwendung der unten stehenden Gleichung (1) berechnet werden. Diese Auslenkung ist so klein, daß der Referenzkondensator auf den schalenförmigen Teilen 3, 5 vorgesehen werden kann, ohne daß über den zu messenden Druckbereich hinv/eg spürbare Kapazitätsänderungen auftreten. Jede kleine Kapazitäts-änderung kann in der Anordnung leicht kalibriert werden.The deflection of the shell shape parts 3 and 5 at their edges can be calculated using equation (1) below. This deflection is so small that the reference capacitor can be provided on the shell-shaped parts 3, 5 without that noticeable changes in capacitance occur across the pressure range to be measured. Any small change in capacity can be in the arrangement can be easily calibrated.

Die Kapazität C_ des auf Druck ansprechenden Kondensators und die Kapazität CR des Referenzkondensators werden vorzugsweise so gewählt, daß sie bei dem kleinsten zu messenden Druck gleich sind. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Fläche der leitenden Platten 9 und 11 gleich der Fläche der leitenden Platten 19i iThe capacitance C_ of the pressure-responsive capacitor and the capacitance C R of the reference capacitor are preferably chosen so that they are the same at the lowest pressure to be measured. This can be achieved by making the area of the conductive plates 9 and 11 equal to the area of the conductive plates 19i i

und 21 gemacht wird und daß zwischen den leitenden Platten 9 und ' 11 bzw. den leitenden Platten 19 und 21 ein gleicher Abstand auf- j ι recht erhalten wird. Da die Kapazität C eines Kondensators sich , nach der folgenden Gleichungand 21 and that between the conductive plates 9 and ' 11 or the conductive plates 19 and 21 an equal distance on the right is obtained. Since the capacitance C of a capacitor is itself , according to the following equation

ί
i
C = K^ (3)
ί
i
C = K ^ (3)

_5__5_

50982S/0S3450982S / 0S34

ändert, wobei A die Fläche der Platten,changes, where A is the area of the plates,

D der Abstand zwischen den Platten, und K eine Proportionalitätskonstante ist,D is the distance between the plates, and K is a constant of proportionality,

kann der Abstand zwischen den Kondensatorplatten und ihre Fläche gemäß der oben stehenden Gleichung so geändert werden, daß der Wert der Kapazitäten C_ und Cn erhalten bleibt.the distance between the capacitor plates and their area can be changed according to the above equation so that the value of the capacitances C_ and C n is retained.

Die durch die thermische Ausdehnung der schalenform!gen Teile 3 und 5 bei Temperaturänderungen entstehende Änderung des Abstandes zwischen den Kondensatorplatten beeinflußt die beiden Kapazitäten Ca und Cn im wesentlichen in gleichem Maße. Damit werden in dem dem Verhältnis der Kapazitäten entsprechenden Ausgangs-The change in the distance between the capacitor plates resulting from the thermal expansion of the shell-shaped parts 3 and 5 when the temperature changes, influences the two capacitances C a and C n essentially to the same extent. This means that in the output ratio corresponding to the capacities

signal Änderungen vermieden, die sich aus einer thermischen Aus-.signal changes resulting from a thermal off.

dehnung ergeben würden.elongation would result.

Die leitenden Platten 9 und 11 haben kreisförmige Gestalt und sind im wesentlichen in der Mitte der sich gegenüberliegenden inneren Flächen der schalenförmigen Teile 3 und 5 angeordnet. Die leitenden Platten 19 und 21 haben ringförmige Gestalt und sind an den Kanten gegenüberliegender innerer Flächen der schalenförmigen Teile 3 undS angeordnet.Von außen auf das Gehäuse 1 ausgeübte Druckänderungen führen bei dieser Anordnung zu einer gegenseitigen Bewegung der leitenden Platten 9 und 11 und zur Ausgabe eines dem ausgeübten Druck entsprechenden Signales, während die leitenden Platten 19 und 21 im wesentlichen feststehend angeordnet sind, durch Druckänderungen niht spürbar beeinflußt werden und einen Referenzkondensator bilden. Die Auslenkung der auf Druck ansprechenden kreisförmigen Abschnitte der schalenförmigenThe conductive plates 9 and 11 are circular in shape and are arranged substantially in the middle of the opposing inner surfaces of the shell-shaped parts 3 and 5. The conductive plates 19 and 21 have an annular shape and are on the edges of opposite inner surfaces of the cup-shaped Parts 3 and S arranged. Pressure changes exerted on the housing 1 from the outside lead to a mutual pressure change in this arrangement Moving the conductive plates 9 and 11 and outputting a signal corresponding to the pressure applied, during the conductive plates 19 and 21 are arranged essentially stationary, are not noticeably influenced by changes in pressure and form a reference capacitor. The deflection of the pressure-sensitive circular sections of the cup-shaped

509828/0534'509828/0534 '

- 6 Teile 3 und 5 wird durch die folgende Gleichung gegeben:- 6 parts 3 and 5 is given by the following equation:

3W(m2 - 1 16TTEm2t3 3W (m 2 - 1 16TTEm 2 t 3

1 (a2 - r2)2
2
1 (a 2 - r 2 ) 2
2

(D(D

wobei W = der äußere Druck,where W = the external pressure,

m = der Kehrwert der Poissonzahl,m = the reciprocal of the Poisson's number,

a = der Scheibenradius (bis zur innenliegenden Kante der Dichtung),a = the disk radius (up to the inside edge of the seal),

r = der radiale Abstand des Punktes, bei dem die Auslenkung y beobachtet wird, von der Achse des Druckfühlers, r = the radial distance of the point at which the deflection y is observed from the axis of the pressure sensor,

t = die Dicke der Scheibe,t = the thickness of the disc,

E = der Elastizitätsmodul ist.E = the modulus of elasticity.

Die maximale Auslenkung der schalenförmigen Teile 3 und 5 wird an deren Mittelpunkt (r = 0) erhalten. Das Verhältnis der Auslenkung bei irgendeinem Punkt r und der Auslenkung am Mittelpunkt istThe maximum deflection of the shell-shaped parts 3 and 5 is at its center point (r = 0). The ratio of the displacement at any point r and the displacement at the midpoint is

2 2 2
Y/y = I (a2 - r2)2 (2,
2 2 2
Y / y = I (a 2 - r 2 ) 2 (2,

nax anax a

um das Einkoppeln einer Störkapazität bei den elektrischen Messungen zu vermeiden, kann auf den äußeren Oberflächen des Gehäuses 1 eine dünne metallische Schicht vorgesehen werden, welche wie in der US-PS 3715 638 beschrieben eine elektrostatische Abschirmung darstellt.about the coupling of an interference capacitance in the electrical To avoid measurements, a thin metallic layer can be provided on the outer surfaces of the housing 1, which, as described in US Pat. No. 3,715,638, represents an electrostatic shield.

509828/0534509828/0534

Wie Fig. 3 zeigt, ist der durch die leitenden Platten 19 und 21 gebildete Referenzkondensator mit dem Eingang eines Verstärkers 35 verbunden. Der auf Druck ansprechende, durch die leitenden Platten 9 und 11 gebildete Kondensator ist in eine vom Ausgang des Verstärkers 35 zu seinem Eingang zurückführende Rückkoppelleitung geschaltet. Die Kondensatoren werden über einen Transformator 25 an Spannung gelegt, welcher mit einer Wechselspannungsquelle verbundene Primärwindungen 27 und 29 und hieran induktiv angekoppelte Sekundärwindungen 31 und 33 aufweist, welche mit den durch die Platten 9 und 11 bzw. 9 und 21 gebildeten Kondensatoren verbunden sind. Die Schaltung liefert am Ausgang des Verstärkers.35 ein Ausgangssignal V, das dem Quotienten aus der Kapazität Cq des durch die Platten 9 und 11 gebildeten, auf Druck ansprechenden Kondensators und der Kapazität C des durch die Platten 19 und 21 gebildeten Referenzkondensators proportional ist. Da die Kapazität Cg sich mit dem Druck ändert und die Kapazität Cn einen festen Wert hat, ist das Ausgangssignal V eine Funktion des Druckes. Dadurch daß der Referenzkondensator und der auf Druck ansprechende Kondensator als angeformte Teile des Druckwandlers ausgebildet sind, werden beide Kondensatoren durch Temperaturänderungen in gleicher Weise beeinflußt. Durch Temperaturänderungen wird daher nur ein kleiner oder gar kein Fehler des den Druck anzeigenden Ausgangssignales V hervorgerufen. Daß '' beide Kondensatoren in einem einzigen Baustein enthalten sind, ist auch aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten vorteilhaft.As FIG. 3 shows, the reference capacitor formed by the conductive plates 19 and 21 is connected to the input of an amplifier 35. The pressure-responsive capacitor formed by the conductive plates 9 and 11 is connected in a feedback line leading back from the output of the amplifier 35 to its input. The capacitors are connected to voltage via a transformer 25, which has primary windings 27 and 29 connected to an alternating voltage source and secondary windings 31 and 33 inductively coupled thereto, which are connected to the capacitors formed by plates 9 and 11 or 9 and 21. At the output of amplifier 35, the circuit supplies an output signal V which is proportional to the quotient of the capacitance C q of the pressure-responsive capacitor formed by plates 9 and 11 and the capacitance C of the reference capacitor formed by plates 19 and 21. Since the capacitance Cg changes with pressure and the capacitance C n has a fixed value, the output signal V is a function of the pressure. Because the reference capacitor and the pressure-responsive capacitor are formed as molded parts of the pressure transducer, both capacitors are influenced in the same way by temperature changes. Changes in temperature therefore produce little or no error in the output signal V indicating the pressure. That '' both capacitors are contained in a single device, is also advantageous for economic reasons.

503828/0534503828/0534

Claims (7)

_ g _ . Patentanwälte Dipl. Ing. H. Hauck Dipl. Phys. W. Schmitz Dipl. Ing. E, Graaifs Dipl. Ing. W. Wehnert The Bendix Corporation DiP'· Phys. W. Carstens . 8 München 2 Executive Offices Mozartstr. 23 Bendix Center 13. Dezember 1974 Southfield,Mich.48075,USA .Anwaltsakte M-3329 Patentansprüche_ g _. Patent attorneys Dipl. Ing. H. Hauck Dipl. Phys. W. Schmitz Dipl. Ing. E, Graaifs Dipl. Ing. W. Wehnert The Bendix Corporation DiP '· Phys. W. Carstens. 8 Munich 2 Executive Offices Mozartstr. 23 Bendix Center December 13, 1974 Southfield, Mich. 48075, U.S. Attorney File M-3329 Claims 1. Druckwandler, bei dem ein auf Druck ansprechender Kondensator und ein Referenzkondensator Verwendung findet, dadurch gekennzeichnet, daß er ein hohles Gehäuse (1) aufweist, das zwei voneinander entfernte, einander zugewandte Wände (3,5) aus isolierendem Material hat, welche durch isolierendes Ma- : terial (6) an ihren Kanten miteinander verbunden sind, daß die von den Kanten entfernten Bereiche der Wände (3,5) bei Druckänderungen auslenkbar sind, während die beiden Kanten der Wände (3,5) gelegenen Bereiche im wesentlichen nicht aus-;1. Pressure transducer in which a pressure-responsive capacitor and a reference capacitor is used, characterized in that it has a hollow housing (1) which has two spaced apart, facing walls (3,5) made of insulating material, which through insulating ma-: TERIAL (6) are joined together at their edges, that the remote from the edge regions of the walls (3,5) are deflected when the pressure changes, while the two edges of the walls not (3,5) portions are substantially located the end-; lenkbar sind, und daß die Elektroden (9,11) des auf Druck an-; sprechenden Kondensators auf den einander zugewandten Ober- j flächen der auslenkbaren Bereiche angeordnet sind, während die Elektroden (19,21) des Referenzkondensators auf den einander gegenüberliegenden Oberflächen der nicht auslenkbaren Bereiche angeordnet sind.are steerable, and that the electrodes (9, 11) of the on pressure; Speaking capacitor are arranged on the facing surfaces of the deflectable areas, while the electrodes (19,21) of the reference capacitor on the opposing surfaces of the non-deflectable Areas are arranged. 2. Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er Leiter (13,15) zum Verbinden der Kondensatoren mit einer2. Pressure transducer according to claim 1, characterized in that it has conductors (13, 15) for connecting the capacitors with a 50982870534 ~9~50982870534 ~ 9 ~ - 9 äußeren Schaltung aufweist.- Has 9 outer circuit. 3. Druckwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das hohle Gehäuse (1) aus Quarz hergestellt ist.3. Pressure transducer according to claim 1 or 2, characterized in that the hollow housing (1) is made of quartz. 4. Druckwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3,dadurch gekennzeichnet, daß das hohle Gehäuse (1) kreisförmige Gestalt aufweist, und daß die voneinander entfernten, einander gegenüberliegenden Wände (3,5) in Umfangsrichtung an ihren Kanten zusammengefügt sind.4. Pressure transducer according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the hollow housing (1) is circular in shape comprises, and that the spaced apart, mutually opposite walls (3,5) in the circumferential direction at their edges are joined together. 5. Druckwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das hohle Gehäuse (1) eine Vakuumkammer darstellt.5. Pressure transducer according to one of claims 1 to 4, characterized in that that the hollow housing (1) represents a vacuum chamber. 6.Druckwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (9,11) des auf Druck ansprechenden Kondensators kreisförmig sind und in der Mitte angeordnet sind, während die Elektroden (19,21) des Referenzkondensators kreisförmig sind und am Rand angeordnet sind.6. Pressure transducer according to one of claims 1 to 5, characterized in that that the electrodes (9,11) of the pressure responsive capacitor are circular and in the middle are arranged, while the electrodes (19,21) of the reference capacitor are circular and are arranged on the edge. 7. Druckwandler nach einem der Ansprücze l'.bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der auf Druck ansprechende Kondensator und der Referenzkondensator die gleiche Kapazität aufweisen.7. Pressure transducer according to one of claims l'.to 6, characterized in that that the pressure-responsive capacitor and the reference capacitor have the same capacitance. 6098-20/05346098-20 / 0534 Λ0Λ0 LeerseiteBlank page
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